Füzyon enerjisinde trityumun geri dönüşümü

Nükleer enerji dediğimizde akla ilk gelen teknolojilerden olan füzyon enerjisi; temiz ve sürdürülebilir özelliğiyle bizler ve dünyamız için yeşil bir gelecek vadediyor. Füzyon enerjisi, hafif atom çekirdeklerinin birleşmesi prensibine dayanmaktadır. Bu reaksiyonlarda en yaygın kullanılan yakıtlar ise döteryum ve trityum izotoplarıdır. Fakat trityumun doğada çok az miktarda bulunması sebebiyle bu izotopun reaktörlerde geri kazanımı hedeflenmektedir. Bu nedenle trityumun ayrıştırılması ve zenginleştirilmesi hem fisyon hem de füzyon enerjisi için ön plana çıkmaktadır.

Günümüzde trityumun büyük bir kısmı, nükleer reaktörlerde yan ürün olarak oluşmaktadır. Bu oluşum en fazla ağır su reaktörlerinde görülmektedir. Trityumun, su içinde trityumlu su formunda bulunması ve kimyasal olarak su ile neredeyse aynı olması sebebiyle sudan ayrımı zordur. Bu nedenle geleneksel filtrasyon işlemleri yetersizdir.

Araştırmada, trityumun ayrıştırma yöntemleri ve bu alanda kullanılan elektrokimyasal teknolojiler incelenmektedir. Geleneksel ayrıştırma yöntemleri arasında; kriyojenik damıtma, termal difüzyon, kimyasal değişim süreçleri, gaz kromatografisi ve adsorpsiyon yöntemleri bulunmaktadır. Çok çeşitli yöntemlere rağmen yüksek enerji tüketimleri ve maliyetlerine ek olarak kullanılan sistemlerin karmaşıklığı sebebiyle uygulanabilirlikleri düşük orandadır. Bu yüzden daha verimli ve düşük maliyetli olmasının yanında kolay uygulanabilir olması sebebiyle de elektrokimyasal ayrıştırma yöntemlerine odaklanılmıştır.

Elektrokimyasal yöntemler arasında en dikkat çeken teknoloji ise proton değişim membranlı elektroliz sistemleridir. Bu sistemlerde, su elektrik akımı ile parçalanmaktır. Bu süreçte hafif hidrojen iyonları membrandan rahatça geçerken ağır olan trityum iyonları ayrılmaktadır. Bu süreç devam ettikçe hidrojen gazı oluşmakta ve suyun içinde kalan trityum yoğunluğu artmaktadır. Elektroliz yöntemlerinin, geleneksel yöntemlere göre avantajları: daha düşük enerji tüketimi ve maliyeti ile daha yüksek ayrıştırma oranı olarak öne çıkmaktadır.¹

Elektrokimyasal ayırma süreçlerinde önemli noktalardan biri membran performansı olarak öne çıkmaktadır. Membranların; proton iletkenliği, kimyasal ve mekanik dayanımı, seçiciliği gibi çeşitli özellikler ayrıştırma işlemini doğrudan etkilemektedir. Grafen ve grafen oksit yapılı membranlar, iki boyutlu olmaları sayesinde neredeyse bir atom kalınlığına sahiptirler ve kontrollü gözenekli yapıları sayesinde ağır izotopların geçişini büyük oranda engellemektedir. Bunlara ek olarak zeolitler, metal-organik kafes yapıları, karbon nanotüpler, aktif karbon bazlı gözenekli yapılar ve paladyum tabanlı metal membranlar da ayrıştırmada önemli olan malzemelerdir.²

Farklı bir çalışmada çeşitli proton değişim membranları kullanılmıştır. Araştırmada; Nafion membranı, sülfonlanmış polieter eter keton (SPEEK) ve bu membranların grafen kaplı halleri denenmiştir. Testler sonucunda membran performansları ve trityum ayırma verimliliği ölçülmüştür. Elektroliz sürecinde Nafion membranı için ayırma faktörü yaklaşık 9, SPEEK membranı için yaklaşık 10 olduğu gözlemlenmiştir. Yukarıdaki çalışmada da değinildiği gibi grafenin bu iki membranla beraber kullanımında ayırma faktörü net bir şekilde artmıştır.

Özellikle SPEEK membranı için ayırma faktörü yaklaşık 20 olarak ölçülmüştür. Bunun sebebi difüzyon farkları, elektrostatik etkileşimler ve reaksiyon kinetiği farklılığı olarak öne çıkmaktadır.

Aynı çalışmada elektroliz elektroliz hücresi ile birlikte kullanılan yakıt pili uygulamasında ise farklı bir etki gözlemlenmiştir. Yakıt pili aktif haldeyken trityum gaz fazında yoğun halde bulunduğundan ayırma faktörü 1’den küçük gözlemlenmiştir. Bu durum sistemde oluşan hidrojen gazını yeniden suya dönüştürerek trityumun sisteme geri kazanıldığını göstermektedir. Bu sayede sistem hem trityumla yoğunluklu su hem de trityum içeren hidrojen gazı üreterek tüm trityumu sistem içinde geri dönüştürmektedir.

Füzyon enerjisinin sürdürülebilirliği açısından kritik bir öneme sahip olan trityumun ayrıştırılması ve geri kazanımı noktasında elektrokimyasal yöntemler büyük bir avantaj sağlamaktadır. Nadir olarak bulunan trityumun verimli bir şekilde yönetilmesi, füzyon enerjisinin geleceğini doğrudan etkilemektedir. Bu doğrultuda kullanılan çeşitli grafen destekli membranların yüksek ayrıştırma performansları sayesinde ve elektroliz ile beraber kullanılan yakıt pili sayesinde trityumun sistem içerisinde tutulmakta ve yeniden kullanılmaktadır. Bu gelişmeler, füzyon enerjisinin pratikte uygulanabilirliğini artırmakla beraber uzun vadede güvenilir ve çevre dostu bir enerji kaynağı olma potansiyelini güçlendirmektedir.³

Salim Bak

Kaynaklar

1. Khan, M., Penghua, H. U., Jie, N. I. U., Lechang, X. U., Jie, G. U., & Yalan, W. A. N. G. (2026). Advancing electrochemical technology for tritium separation: an application for fission and fusion energy. Annals of Nuclear Energy, 226, 111857.
2. Zhao, Z., Sun, Y., Chen, Q., Li, T., Liu, F., Yan, T., & Zheng, W. (2025). Research progress in tritium processing technologies: a review. Separations, 12(2), 33.
3. Zabolockis, R. J., Sondars, M., Vaivars, G., Reinholds, I., Gostilo, V., Malgin, V., … & Pajuste, E. (2024). Graphene-based electrochemical system for tritium enrichment. Nuclear Fusion, 64(2), 026022.